【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】3月19日，《極端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM)在線刊發(fā)材料學(xué)院周華民、黃威教授研究成果“耐損傷多層級(jí)多孔陶瓷的冷凍3D打印”(Cryogenic 3D printing of damage tolerant hierarchical porous ceramics)。我校材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位及第一通訊單位，周華民、黃威和北京理工大學(xué)王濤教授為論文共同通訊作者，該團(tuán)隊(duì)成員博士生朱征以及北京理工大學(xué)高丹丹為共同第一作者，材料學(xué)院吳斌、孫明翰老師等對(duì)該工作的數(shù)據(jù)分析提供了大力支持。
多孔陶瓷具有低密度、高比表面積、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、催化劑載體、過濾和骨組織工程等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前常用的制備多孔陶瓷的方法有部分燒結(jié)、復(fù)制模板、冷凍鑄造和直接發(fā)泡法等，但由于陶瓷固有的脆性導(dǎo)致難以制備復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，且孔隙結(jié)構(gòu)單一，力學(xué)性能受限，抗沖擊性能較差。自然界中，烏賊骨、硅藻、竹子等生物礦化組織通過多層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)(納米-微米-宏觀)實(shí)現(xiàn)了輕量化與高韌性的平衡，例如烏賊骨的分層孔隙可通過逐級(jí)塌縮高效吸收沖擊能量。受此啟發(fā)，將多層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)賦予多孔陶瓷中以制造多尺度結(jié)構(gòu)，或?yàn)榭朔沾晒逃械拇嘈蕴峁┝艘环N新的策略并拓展其應(yīng)用可能性。然而，如何在陶瓷中引入多層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，仍然是陶瓷加工領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。因此，開發(fā)一種能夠融合多層級(jí)多孔設(shè)計(jì)與復(fù)雜幾何成型的制造技術(shù)，成為突破陶瓷材料性能瓶頸的關(guān)鍵。
本研究采用了一種將直寫墨水書寫式3D打印技術(shù)與冷凍鑄造法結(jié)合的方式，稱之為“冷凍3D打印”。這項(xiàng)技術(shù)是通過結(jié)合冷凍鑄造的孔隙生成機(jī)制與3D打印的高自由度，實(shí)現(xiàn)了多層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑。該技術(shù)制備多層級(jí)多孔陶瓷包括漿料配制、低溫?cái)D出成型、冷凍干燥與高溫?zé)Y(jié)。首先，以氧化鋁納米顆粒與殼聚糖為原料制備打印漿料，通過低溫(-20℃)打印平臺(tái)逐層擠出漿料，漿料的路徑可控制樣品形成宏觀孔隙，并利用冰晶定向生長(zhǎng)形成微米級(jí)層狀孔隙；隨后，冷凍干燥去除冰晶并保留微米孔隙；最后，高溫?zé)Y(jié)去除有機(jī)物并同步形成納米孔隙。通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和計(jì)算機(jī)斷層掃描(μCT)等多種表征手段揭示了這種多層級(jí)多孔的結(jié)構(gòu)。此外，本研究還驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)膠原蛋白、碳化硅、二氧化硅、鈦合金等等多種材料的普適性，為多功能多孔材料的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
本研究制備的多層級(jí)多孔陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，平臺(tái)應(yīng)變長(zhǎng)達(dá)60%，比能量吸收達(dá)10.011 kJ/kg，優(yōu)于多數(shù)金屬與復(fù)合材料；動(dòng)態(tài)沖擊測(cè)試中，抗壓強(qiáng)度達(dá)8.854 MPa，且在2000 s?¹高應(yīng)變率下仍保持穩(wěn)定能量吸收。通過本課題制備的樣品和其他的之前已報(bào)道的多孔陶瓷對(duì)比，本研究中多層級(jí)多孔陶瓷不僅沒有出現(xiàn)單一孔尺寸陶瓷固有的應(yīng)力脆性斷裂，而且表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于同孔隙率下其他陶瓷樣品的機(jī)械強(qiáng)度和獨(dú)一無二的高比能量吸收。本研究進(jìn)一步結(jié)合SEM、原位μCT、高速攝像與有限元模擬，揭示了多層級(jí)多孔陶瓷在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮與高速?zèng)_擊下的破壞機(jī)制：宏觀孔隙通過逐層塌縮延長(zhǎng)平臺(tái)應(yīng)變，微米孔隙通過壁面斷裂耗能，納米孔隙則通過局部致密化提升能量吸收。該成果不僅為耐損傷輕質(zhì)陶瓷的制造開辟了新方式，更為機(jī)械超材料、智能防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的途徑。
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